Меню

Мощность трехфазного электродного нагревателя определяется по выражению

Электродный нагрев жидких сред

Электродный способ нагрева применяют для нагрева проводников II рода : воды, молока, фруктовых и ягодных соков, почвы, бетона и т.д. Электродный нагрев широко распространен в электродных водонагревателях, водогрейных и паровых котлах, а также в процессах пастеризации и стерилизации жидких и влажных сред, тепловой обработки кормов.

Материал помещают между электродами и нагревают электрическим током, протекающим по материалу от одного электрода к другому. Электродный нагрев считается прямым нагревом — здесь материал служит средой, в которой электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Электродный нагрев — наиболее простой и экономичный способ нагрева материалов, не требует специальных источников питания или нагревателей из дорогостоящих сплавов.

Электроды подводят ток к нагреваемой среде и сами током практически не нагреваются. Электроды изготавливают из недифицитных материалов, чаще всего из металлов, но и могут быть и неметаллическими (графитовыми, угольными), Во избежание электролиза для электродного нагрева используют только переменный ток.

Проводимость влажных материалов обуславливается содержанием воды, поэтому в дальнейшем электродный нагрев будем рассматривать, главным образом, к нагреву воды, но приводимые зависимости применимы и к нагреву других влажных сред.

электродный нагрев молока

Нагрев в электролите

В машиностроении и ремонтном производстве применяют нагрев в электролите . Металлическое изделие (деталь) помещают в электролитическую ванну (5 — 10 %-ный раствор Na 2 CO 3 и др.) и подсоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока. В результате электролиза на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Слой пузырьков водорода, покрывающий деталь, представляет для тока высокое сопротивление. В нем выделяется основная доля теплоты, нагревающая деталь. На аноде , имеющем гораздо большую поверхность, плотность тока мала. При определенных условиях деталь нагревается электрическими разрядами, возникающими в водородном слое. Газовый слой одновременно служит теплоизоляцией, предотвращающей охлаждение детали электролитом.

Преимущество нагрева в электролите — значительная плотность энергии (до 1 кВт / см2), обеспечивающая высокую скорость нагрева. Однако это достигается повышенным расходом энергии.

Электрическое сопротивление проводников II рода

Проводники II рода называют электролитами . К ним относятся водные растворы кислот, щелочей, солей, а также различные жидкие и влагосодержащие материалы (молоко, влажные корма, почва).

Дистиллированная вода имеет удельное электрическое сопротивление порядка 10 4 ом х м и практически не проводит электрический ток, а химически чистая вода является хорошим диэлектриком. «Обычная» вода содержит в растворенном виде соли и другие химические соединения, молекулы которых диссоциируют в воде на ионы, сообщая ей ионную (электролитическую проводимость). Удельное электрическое сопротивление воды зависит от концентрации солей и приближенно может быть определено по эмпирической формуле

p 20 = 8 х 10 / С,

где p 20 — удельное сопротивление воды при 20 0 С, Ом х м, С — суммарная концентрация солей, мг/г

Атмосферная вода содержит растворенных солей не более 50 мг/л, воды рек — 500 — 600 мг/л, подземные воды — от 100 мг/л до нескольких граммов на литр. Наиболее часто встречающиеся значения у дельного электрического сопротивления p 20 для воды находятся в диапазоне 10 — 30 Ом х м.

Электрическое сопротивление проводников II рода существенно зависит от температуры. С ее возрастанием увеличивается степень диссоциации молекул солей на ионы и их подвижность, вследствие чего проводимость повышается, а сопротивление снижается. Для любой температуры t до начала заметного парообразования удельная электрическая проводимость воды, Ом х м -1 , определяется линейной зависимостью

yt = y20 [1 + a (t-20)] ,

где y20 — удельная проводимость воды при температуре 20 o C , а — температурный коэффициент проводимости, равный 0,025 — 0,035 o C -1 .

В технических расчетах обычно пользуются не проводимостью, а удельным сопротивлением

pt = 1/ yt = p20 / [1 + a (t-20)] (1)

и его упрощенной зависимостью p (t) , принимая a = 0,025 o C -1 .

Тогда удельное сопротивление воды определяют по формуле

pt = 40 p20 / (t +20)

В диапазоне температур 20 — 100 о С удельное сопротивление воды возрастает в 3 — 5 раз, во столько же раз изменяется мощность, потребляемая из сети. Это один из существенных недостатков электродного нагрева, приводящий к завышению сечения питающих проводов и усложняющий расчет установок электродного нагрева.

Удельное сопротивление воды подчиняется зависимости (1) только до наступления заметного парообразования, интенсивность которого зависит от давления и плотности тока в электродах. Пар не является проводником тока, и поэтому при парообразовании удельное сопротивление воды возрастает. В расчетах это учитывается коэффициентом b , зависящим от давления и плотности тока:

pc м = p в b = p в a e k J

где pc м — удельное сопротивление смеси вода — пар, p в — удельное сопротивление воды без заметного парообразования, a — постоянная, равная для воды 0,925, k — величина, зависящая от давления в котле (можно принять k = 1 , 5 ), J — плотность тока на электродах, А/см2.

Читайте также:  Briggs stratton 625 мощность

При нормальном давлении влияние парообразования сказывается при температуре выше 75 о С. Для паровых котлов коэффициент b достигает значения 1,5.

электродные системы и их параметры

Электродные системы и их параметры

Электродная система — совокупность электродов, определенным образом связанных между собой и питающей сетью, предназначенных для подвода тока к нагреваемой среде.

Параметрами электродных систем являются : число фаз, форма, размеры, число и материал электродов, расстояние между ним, электрическая схема соединения («звезда», «треугольник», смешанное соединение и т. п.).

При расчете электродных систем определяют их геометрические параметры, обеспечивающие выделение в нагреваемой среде заданной мощности и исключающих возможность ненормальных режимов.

Мощность трехфазной электродной системы при соединении звездой:

P = U2 л / R ф = 3 U ф / R ф

Мощность трехфазной электродной системы при соединении треугольником:

Электродный нагрев жидких средПри заданном напряжении U л питания мощность электродной системы P определяется сопротивлением фазы R ф, которое представляет собой сопротивление тела нагрева, заключенного между электродами, образующими фазу. Конфигурация и размеры тела зависят от формы, размеров и расстояния между электродами. Для простейшей электродной системы с плоскими электродами шириной каждого b , высотой h и расстоянием между ними:

R ф = pl / S = pl / (bh)

где, l , b , h — геометрические параметры плоскопараллельной системы.

Для сложных систем зависимость R ф от геометрических параметров не представляется выразить столь просто. В общем случае ее можно представить в виде R ф = с х ρ , где с — коэффициент, определяемый геометрическими параметрами электродной системы (его можно определить по справочникам).

Размеры электродов, обеспечивающие необходимое значение R ф, могут быть рассчитаны, если известно аналитического описание электрического поля между электродами, а также зависимость p от определяющих ее факторов (температура, давление и др.).

Геометрический коэффициент электродной системы находят как k = R ф h / ρ

Мощность любой трехфазной электродной системы можно представить в виде P = 3U 2 h /( ρ k)

Кроме этого, важно обеспечить надежность электродной системы, исключение порчи продукта и электрического пробоя между электродами. Эти условия выполняются ограничением напряженности поля в межэлектродном пространстве, плотности тока на электродах и правильным выбором материала электродов.

Допустимую напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве ограничивают требованием недопущения электрического пробоя между электродами и нарушения работы установок. Допустимую напряженность E доп поля выбирают по электрической прочности Епр поля выбирают по электрической прочности Епр материала с учетом коэффициента запаса: Едоп = Епр / (1,5 . 2)

Величина Едоп определяет расстояние между электродами:

l = U / Едоп = U / (J доп ρ т),

где J доп — допустимая плотность тока на электродах, ρ т — удельное сопротивление воды при рабочей температуре.

Электродный нагрев жидких средПо опыту проектирования и эксплуатации электродных водонагревателей значение Едоп принимают в пределах (125 . 250) х 102 Вт/м, минимальное значение соответствует удельному сопротивлению воды при температуре 20 о С менее 20 Ом х м, максимальное — удельному сопротивлению воды при температуре 20 о С более 100 Ом х м.

Допустимую плотность тока ограничивают из-за возможности загрязнения нагреваемой среды вредными продуктами электролиза на электродах и разложения воды на водород и кислород, которые в смеси образуют гремучий газ.

Допустимую плотность тока определяют по формуле:

J доп = Едоп / ρ т,

где ρ т — удельное сопротивление воды при конечной температуре.

Максимальная плотность тока:

Jmax = k н I т / S ,

где, k н = 1,1 . 1,4 — коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электрода, I т — сила рабочего тока, стекающего с электрода при конечной температуре, S — площадь активной поверхности электрода.

Во всех случаях должно быть соблюдено условие:

Материалы для электродов должны быть электрохимически нейтральны (инертны) относительно нагреваемой среды. Недопустимо выполнять электроды из алюминия или оцинкованной стали. Лучшими материалами для электродов служат титан, нержавеющие стали, электротехнический графит, графитизированные стали. При нагреве воды для технологических нужд используют обычную (черную) углеродистую сталь. Для питья такая вода непригодна.

Регулирование мощности электродной системы возможно при изменении значений U и R . Чаще всего при регулировании мощности электродных систем прибегают к изменению рабочей высоты электродов (площади активной поверхности электродов) путем введения между электродами диэлектрических экранов или изменением геометрического коэффициент электродной системы (определяется по справочникам в зависимости от схем электродных систем).

Источник



Электродные (жидкостные) нагреватели

Влияние формы отражателя на плотность потока излучения

Отражатель Плотность потока, 1ּ10 4 Вт/м 2 Отражатель Плотность потока, 1ּ10 4 Вт/м 2
Нет отражателя 12,5 Гиперболический 33,6
Плоский 16,7 Параболический 41,9
Сферический 29,3

Отражатели изготавливаются из материалов, имеющих большой коэффициент отражения в области ИК-спектра. Применяются в основном два вида материалов: листовая сталь с гальваническим полированным покрытием хромом или никелем и листовой алюминий, который может иметь различные покрытия. Наиболее широко применяются анодированные и просто полированные алюминиевые отражатели с коэффициентом отражения 98 %.

Читайте также:  Лестеньков ламповые усилители мощности любительских кв радиостанций

Электродный нагрев представляет собой непосредственное прохождение электрического тока промышленной частоты (50 Гц) через нагреваемую среду. В этом случае непосредственно в нагреваемой среде, обладающей определенной проводимостью (сопротивлением), происходит выделение теплоты при прохождении через нее электрического тока. Электрический ток подводится к нагреваемой среде с помощью электродов. Соответственно основным конструктивным элементом этих нагревателей являются электроды.

Если осуществляется нагрев пищевого продукта непосредственно электрическим током при контактировании его с электродами, то такой нагрев называется электроконтактным. Электроконтактный нагрев представляет собой объемный нагрев, при котором возрастает концентрация энергии в единице объема, что приводит к резкому сокращению времени тепловой обработки. Однако для осуществления электроконтактного нагрева электроды необходимо подводить индивидуально к каждому изделию, а процесс тепловой обработки является не управляемым и может быть использован только для разогрева кулинарной продукции.

Электроконтактный нагрев прост по устройству, ремонтопригоден, практически безынерционен и имеет высокий к. п. д. Однако этот вид нагрева не нашел применения в общественном питании в связи с тем, что металл с электродов переносится в пищевой продукт и часть продукта соприкасавшаяся с электродами будет не пригодна в пищу. Кроме того, в электроконтактном аппарате для тепловой обработки значительного количества одновременно нагреваемых изделий, чтобы обеспечить надежный подвод электрической энергии к каждому изделию, кулинарная продукция должна иметь строго стандартные размеры, которая в общественном питании практически отсутствует.

Если непосредственно электрическим током осуществляется нагрев воды (рис. 4.13), поместив с нее электроды, то такой нагрев называется электродным. Мощность (P) такого нагревателя определяется по формуле

где U – подведенное к электродам напряжение, В;

R – сопротивление столбы жидкости между электродами, Ом.

Сопротивление любого проводника определяется из выражения

где ρ – удельное сопротивление материала проводника (в данном случае электролита), Омּм;

l – длина проводника (расстояние между электродами), м;

F – сечение проводника (площадь электрода), м 2 .

Подставив значение сопротивления в формулу 4.12 получим

Так как напряжение в сети предприятий общественного питания есть величина постоянная, то мощность электродного нагревателя будет зависеть от удельного сопротивления электролита (воды), размеров электродов и расстояния между ними.

Следует учитывать, что удельное сопротивление электролита уменьшается с ростом температуры, что приводит к возрастанию мощности нагревателя. Кроме того, при закипании воды появляются пузырьки пара в сечении, по которому протекает электрический ток, за счет чего уменьшается его сечение и соответственно мощность.

Как показывает исследование, удельное сопротивление воды в процессе нагрева падает со 100 до 40 %. При этом минимальное значение находится при температуре воды 100 °С. Соответственно при пуске аппарата происходит плавный его запуск, так как его пусковая мощность будет значительно меньше номинальной.

Электродный нагрев прост по устройству, ремонтопригоден, практически безинерционен и имеет высокий к. п. д. Однако электроды имеют небольшой срок службы за счет переноса металла в электролит под воздействием электрического тока, а при осуществлении технологического процесса возникают сложности, так как с изменением температуры и концентрации электролита меняется его удельное сопротивление и, соответственно, мощность электродных нагревателей. Кроме того, возникает возможность появления опасного для жизни человека потенциала на корпусе аппарата. Все это ограничивает использование электродного нагрева в общественном питании.

Несмотря на указанные недостатки, электродный нагрев иногда используется в предприятиях общественного питания для получения горячей воды для технических целей и в парогенераторах некоторых конструкций зарубежных пищеварочных котлов.

В водонагревателях проточного типа электродные нагреватели обычно представляют собой соосно размещенные два цилиндрических электрода. Водопроводная вода, протекающая между цилиндрическими электродами, нагревается проходящим через нее электрическим током. Размеры электродов и расстояние между ними рассчитываются исходя из напряжения в сети, необходимой мощности и удельного сопротивления нагреваемой воды.

Для электродных нагревателей, устанавливаемых в парогенераторах, например пищеварочных котлов, в качестве электролита обычно используется раствор дистиллированной воды с определенным количеством соды (Na2CO3). Концентрация раствора выбирается исходя из обеспечения необходимого удельного электрического сопротивления электролита. Обычно для электродных парогенераторов пищеварочных котлов употребляется вода с содержанием солей от 2 до 8 %.

Электроды в парогенераторе обычно изготавливают из металлических полос в форме спирали закрепленных на диэлектрических подставках (рис. 4.14) на съемном фланце. Фланец с электродами жестко крепится к дну парогенератора через герметизирующую прокладку болтами с гайками, для чего во фланце имеются соответствующие отверстия. Подвод электрической энергии к электродам осуществляется через проходные изоляторы. В качестве материала для электродов используется медь, латунь, иногда, нержавеющая сталь. Для осуществления регулирования технологического режима тепловой обработки в блоке нагревателей парогенератора размещают шесть электродов: три больших и три малых. Малые электроды используются для осуществления режима слабого нагрева, обеспечивающего режим «тихого» кипения.

Читайте также:  Моно усилитель мощности схема

Питание котла осуществляется от трехфазной сети напряжением 220 или 380 В. Одни и те же электроды могут быть использованы, при условии заливания в парогенератор различной концентрации электролита, для различных напряжений питающей сети.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Изучение устройства, принципа действия и методики расчёта электродных водонагревателей

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Лаборатория электротехнологии (0-01)

ЭЛЕКТРОДНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ

Выполнил: студент гр. ЭТ-___

Изучить устройство, принцип действия и методику расчёта электродных водонагревателей.

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями .

2. Изучить и выполнить методику работы.

3. Опытным путём исследовать зависимость удельного электри-ческого сопротивления воды от температурыr = f (Т). Эту же зависимость рассчитать по эмпирической формуле и построить кривые r = f (Т) по опытным и расчётным данным.

4. Опытным путём исследовать зависимость потребляемой мощ-ности от температуры воды Р = f (Т).

5. Составить и защитить отчёт.

Общие теоретические сведения

Электродный способ применяют для нагрева воды, молока, фруктовых и ягодных соков, сочных кормов, почвы, бетона и др. Материал, помещённый между электродами, нагревается за счёт электрического тока, протекающего через него от электрода к электроду. При этом происходит прямой нагрев: сам материал является средой, в которой электрическая энергия преобразуется в тепловую. Электродный нагрев представляет собой простой и экономичный способ нагрева материалов, не требующий ни понижающих трансформаторов,ни специальных нагревательных приборов из дорогостоящих сплавов. Для электродного нагрева, во избежание электролиза, используют только переменный электрический ток.

Особенностями электродных устройств являются зависимость теплопроизводительности от удельного электрического сопротивления нагреваемой жидкости и ограничение напряженности поля вследствие возможного электрического пробоя и разложения жидкости.

Электродные аппараты классифицируют по следующим признакам: по числу фаз питания – одно- и трехфазные; по конструктивным особенностям – одно-, двух- и трёхбакового исполнения, с цилиндрическими, трубчатыми, плоскими, спиралевидными и секторными электродами; по напряжению сети — низкого (380 В) и высокого (6 кВ и выше) напряжения; по способу регулирования мощности — с подвижными элементами из диэлектрического материала, с подвижными нулевыми электродами, со ступенчатым переключением электродов. Наибольшее применение находят трехфазные однобаковые конструкции низкого напряжения с трубчатыми, цилиндрическими или секторными электродами, с плавным регулированием мощности, осуществляемым с помощью подвижных элементов из диэлектрических материалов или нулевых электродов (водонагреватели) или путём изменения глубины погружения электродов в котловую воду (парогенераторы).

Разработана серия трехфазных электродных водонагревателей низкого напряжения (380 В) мощностью 25, 60, 100, 250, 400 и 1000 кВт. Водонагреватели рассчитаны для работы на воде с удельным электрическим сопротивлением 30 Ом∙м при 20 °С. Допускается отклонение удельного сопротивления в пределах от 10 до 50Ом∙м . Номинальному температурному режиму работы соответствуют 70 °С на входе в водонагреватель и 95 °С на выходе. Максимально допустимая температура воды на выходе составляет 130 °С. Водонагреватели могут работать как в системах атмосферного типа, так и в системах с избыточным давлением. Мощность первых трех типоразмеров водонагревателей регулируется в пределах от 10 до 100 %, остальных — в пределах от 20 до 100 %.

В сельском хозяйстве применяются проточные и непроточные, однофазные и трехфазные электродные водонагреватели с различными типами электродных систем: пластинчатой (рис. 4.1), коаксиальной (рис. 4.2), стержневой (рис. 4.3).

Водонагреватель представляет собой металлический бак, внутри которого находятся электроды. Напряжение кним подводится через проходные изоляторы, установленные на крышке бака. В качестве материала для электродов используется титан, нержавеющая сталь, электротехнический графит и др. Электроды выполняют лишь функцию подвода электрического тока к нагреваемой среде, а сами электрическим током не нагреваются.

При работе электроводонагревателя на его корпусе может возникнуть опасный потенциал, поэтому корпус водонагревателя должен быть заземлён.

Рис. 4.1 Пластинчатая система электродов

Рис. 4.2 Коаксиальная система электродов

Рис. 4.3 Стержневая система электродов

В процессе нагрева воды мощность, потребляемая водонагревателем, увеличивается в результате уменьшения удельного электрического сопротивления воды. Последнее объясняется увеличением концентрации и подвижности ионов при повышении температуры воды.

Площадь поверхности электродов и расстояние междуними ограничивается максимально допустимыми значениями плотности тока на электродах и напряженности поля. При большой напряженности поля между электродами наблюдается пробой

Источник